i
i
“1478-Strnad-AliStekloTece” — 2010/8/25 — 8:17 — page 1 — #1 i
i
i
i
i
i
List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje
ISSN 0351-6652
Letnik 29 (2001/2002)
Številka 3
Strani 140–142
Janez Strnad:
ALI STEKLO TEČE?
Ključne besede: fizika, zgradba snovi, steklo, deformacije.
Elektronska verzija: http://www.presek.si/29/1478-Strnad.pdf
c© 2001 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije
c© 2010 DMFA – založništvo
Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali
posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo-
ljeno.
Fizika I
ALI ST EKLO TEČE?
Od časa do časa v tej ali oni fizika lni reviji oživi razprava o tem, ali
steklo zaradi teže teče , podobno kot med , samo veliko počasneje. Nekateri
zatrjujejo , da steklo teče zato, ker ni prava trdnina, ampak podhlajena
kapljevina. O t em naj bi pričale šipe srednjeveških katedral, ki da so na
spodnjem delu debelej še kot na zgornjem . Na mnenje , da steklo teče pri
sobni temperaturi , naletimo v Evropi t er Južni in Severni Ameriki , tako
da utegne biti res dokaj razširjeno po svetu. Trditve te vrste najdemo
celo v nekater ih učbenikih in strokovnih knjigah , npr. v izd aj i Britanske
cncildopcdijc iz leta 1066 .
St ek lo je izjemna snov, ki je imela že v preteklosti velik pomen in ga
ima tudi dandanes, posebej če upoštevamo, da svetlobni vodniki prenesejo
čedalje več sporočil. Navadno silikatno steklo sestavljajo oksidi silicija
Si02 (73 ,2 %), natrija Na20 (13,4 %), kalcija CaO (10,6 %), aluminija
Al203 (1,3 %), kali ja K20 (0,8 %), magnezija MgO (0,7 %) in primesi.
Navedeni masni deleži so tipični za navadno današnj e st eklo, pogosto pa
nalet imo t ud i na nekoliko drugačno ses t avo. Nekdanja stekla so , npr. ,
vsebovala več kalijevega oks ida kot natrijevega.
Zgradba st ekla je posebnost in je ni lahko opisati. Pri sobni tem-
peraturi steklo ni v toplotnem ravnovesju . Dostikrat primerjajo st eklo
z raztopino ali zlit ino. Sestavlj ajo ga gruče atomov, velike po okoli 100
nanometrov s po st o milijoni atomov. V gručah sicer nihajo atomi okoli
svo jih 'ravnovesnih leg, kot je značilno za kristal , vendar gruč ne moremo
obravnavati ne kot drobne kristale ne kot ogromne mo lekule. Ne samo, da
so različno velike , ampak deluj ejo nanje zelo različne mehanične napetosti .
Zato v steklu na večjih razd aljah ne opazimo ur ejenosti. Na kraj ših
razdaljah pa opazimo urejenost , značilno za nekristalne trdnine (slika 1).
Pri temperaturi p od 400 °C se ste klo kaže kot trdno telo , ki se mu
pod vplivom zunanje sile sicer spremeni ob lika, a se vrne v prvotno ob liko,
ko sila pr eneha. To je značilno za prožno deformacijo. Steklo se zlomi
ali poči, če sila preseže določeno mejo , steče pa ne . Teža je v te j zvezi
razmero ma šibka sila. Zaradi nje bi mo rda zasledi li trajno, neprožno
deformac ijo stekla v času , ki bi presege l starost vesolja . Večkrat so v
laboratoriju poskušali izmeriti, kako steklo teče, a pri t em niso uspeli. Ste-
klen i predmeti, stari več kot 3000 let, so obdržali svojo obliko. Misel , da
st eklo pri navadni t emperaturi pod vplivom t eže nekako spre minja ob liko,
je "mit, ki nasprotuje izkušnjam arheologije in sodobnim raziskovanjem
narave mater ia lov" .
I Fizika
Slika 1. Vtis o zgrad b i st ekla da slika z elekt ro ns kim presevn im mikroskopom 60 nm
debele plasti polprevodniškega stekla As2Se3. Povprečn i premer gruč mer i 100 nm ,
pr es led ki med njimi so v povprečju po 3 nm širo ki in segajo v povprečj u 57 nm globoko ,
poneko d t udi skozi vso plas t . (1 nm , nanometer, je mi lija rdina metra a li mi lijonina
milimetra.) Slika je iz članka J . C. Phillip sa T he physics of glass , Physics Today,
februar 1982 , str. 27.
Šipe v barvast ih oknih srednjeveških katedral pa so kljub te mu lahko
na spodnjem delu debe lejše. P red letom 1890 so šipe izdelovali tako, da so
s pihanjem naredili vot el valj iz raztaljenega stekla, ki so ga pr erezali po
strani in sploščili, ali t ako, da so kos takega stekla hitro vrteli na plošči .
V obeh primerih so nazad nje pogosto nar ezali prizme s klinasto osnovno
ploskv ijo. Take šipe so vgr adi li v sestavljena okna tako, da so bile enako
usmerjene, npr. , da so bile spodaj debelejše. Le tako so dosegli , da je
bilo videt i ravne črte v okolici, ki so jih opazovali skozi sestavljeno okn o,
pr ibližno ravne. Ravne črte pa bi vid eli kot skokovito prekinjene, če bi
kose šip vgradi li neurejene.
Tudi pisec teh vrst ic ima zaradi stekla nekoliko slabo vest . V dru gem
delu Fizike preberemo : "Velika zrcala je nekoliko laže izdelati in namesti ti
v daljnogled kot enako velike leče . St eklo je namreč po dhlajena kaplj evin a
in obst aja nevarnost , da se zaradi lastne teže po dolgem času spremeni
ukriv ljenos t ploskev leče. " Omemba podhlaj ene kaplj evine v tej zvezi za-
vede, še posebej , ker zadnji del trditve namiguj e na neprožno deformacijo.
Prvi del trditve pa velja. Zares je veliko zrcalo laže vpet i in premikati kot
Fizika I
veliko lečo , ki jo je vrhu tega treba zbrus it i vsaj na dveh ploskvah. Od let a
1897 ima Yerkesov observatorij un iverze v Chicagu daljnogled , katerega
objektiv sestavljata dve leči s premerom 1 meter . Do let a 1908 je bil to
največji daljnogled na svet u, do dan es pa je ostal največj i daljnogled z
lečo .
Vendar moramo biti pri st eklu pripravljeni na presenečenj a . Valjasto
pali co, vp eto na eni osnovni ploskvi , ob drugi za kr atek čas obremenimo na
zasuk, kot pr avim o, na to rzijo . Druga osnovna ploskev se zasuče glede na
pr vo in se vrne v začetno lego, ko obremenitev preneha. Pri dolgotrajni
ob rem enitv i se ploskvi nekoliko bolj zasučeta dru ga glede na dru go in
druga ploskev ostane malo zasukan a, ko obremenitev pr eneha. Toda to
ni neprožna deform acija , ker se čez dalj časa rieobremenjea palica le vrn e
v začetno lego. Pojav pojasnijo z gibanjem natrijevih in kalij evih ionov:
najprej razmero ma počasi odtavajo v lege, ki bolj ustrezajo obremenitvi,
po prenehanju obremenitve pa odtavajo nazaj v začetne lege.
Družba Coming Glass, ena od večj ih v ZDA, priporoča, da pri pr e-
vozu škat lo s st eklenimi cevkami položijo na vodoravno podlago. To pa
ni povezan o z morebitno neprožno deformacijo cevk zaradi teže, ampak s
tem, da bi se lah ko cevke na krajiščih poškod ovale, če bi škatlo postavili
navpično . Pogosto so te cevke rah lo ukrivlje ne, največ za nekaj milimetrov
na dolžini enega met ra. Vendar tega ni kr iva neprožna deformacija , ampak
način izdelave.
Za konec še zan imivost . P ri kitaj skih porcelan ast ih vazah poznajo
pojav, da glazura teče in da je to mogoče opaz it i v času z velikostno
stopnjo 500 let. Pri tem nastane nepr ožna defor macija zaradi površinske
nap etost i, ki pride močnej e do izraza kot te ža . Pojav celo up orablj aj o, da
določajo starost in pristnost vaz.
J ames Phillips je menil , da naj bi fiziki o lezenju stekla , ki ga ni ,
razmišljali kot o nečem , kar naj bi bilo. To bi jih sp odbudilo, da bi
skrbno razločevali med kristalnimi in nekristalnimi t rdninami in se ne bi
omej ili samo na t rd itev , da kažejo prve periodično zgra dbo, to je urejenost
dolgega dosega , dru ge pa ne. Ali se nismo ravnali po tem namigu?
Zakaj je mogoče kovinsko pločevino ukrivit i, to je neprožno defor-
mirati , ploščice kremena ali ledu pa ne? Pri roki je pr eprost a razlaga :
vezi med atomi v izolatorju so usmerjene, vezi med ioni v kovini pa ne.
Janez Strnad